10.超流水线与超标量

    在解释超流水线与超标量前，先了解流水线（pipeline）。流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。在CPU中由五六个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成五六步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。

    超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空间换取时间。而超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。例如Pentium 4的流水线就长达20级。将流水线设计的步（级）越长，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。但是流水线过长也带来了一定副作用，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象，Intel的奔腾4就出现了这种情况，虽然它的主频可以高达1.4GHz以上，但其运算性能却远远比不上AMD 1.2GHz的速龙甚至奔腾III。

    11．乱序执行技术

    乱序执行（out-of- orderex-ecution）是指CPU将多条指令不按程序规定的顺序分开发送给各相应电路单元处理的技术。CPU根据各个电路单元的状态和对各指令能否提前执行的具体情况分析后，将能提前执行的指令立即发送给相应电路单元执行，在这期间不按规定顺序执行指令，然后由重新排列单元将各执行单元结果按指令顺序重新排列。采用乱序执行技术的目的是为了使CPU内部电路满负荷运转，以提高CPU运行程序的速度。

    分枝技术（branch）指令进行运算时需要等待结果，一般无条件分枝只需要按指令顺序执行，而条件分枝必须根据处理后的结果，再决定是否按原先顺序进行。

    12．多线程

    同时多线程Simultaneous multithreading，简称SMT, SMT可通过复制处理器上的结构状态，让同一个处理器上的多个线程同步执行并共享处理器的执行资源，可最大限度地实现宽发射的超标量处屯理，提高处理器运算部件的利用率，缓和由于数据相关或Cache未命中带来的访问内存延时。当没有多个线程可用时，SMT处理器几乎和传统的宽发射超标量处理器一样。

    SMT最具吸引力的是只需小规模改变处理器核心的设计，几乎不用增加额外的成本就可以显著地提升效能。多线程技术则可以为高速的运算核心准备更多的待处理数据，减少运算核心的闲置时间，这对于桌面低端系统来说无疑十分具有吸引力。Intel从3.06GHz Pentium4开始，所有处理器都将支持SMT技术。

    13．多核心

    多核心又称单芯片多处理器（Chip multiprocessors，简称CMP）。 CMP是由美国斯坦福大学提出的，其思想是将大规模并行处理器中的SMP对称多处理器）集成到同一芯片内，各个处理器并行执行不同的进程。与CMP比较，SMT处理器结构的灵活性比较突出。但是，当半导体工艺进入0.18微米以后，线延时已经超过了门延迟，要求微处理器的设计通过划分许多规模更小、局部性更好的基本单元结构来进行。相比之下，由于CMP结构已经被划分成多个处理器核来设计，每个核都比较简单，有利于优化设计，因此更有发展前途。目前，IBM的Power 4芯片和Sun的MAJC5200芯片都采用了CMP结构。多核处理器可以在处理器内部共享缓存，提高缓存利用率，同时简化多处理器系统设计的复杂度。

    从2005年下半年起，Intel和AMD的新型处理器也融人CMP结构。新安腾处理器开发代码为Montecito，采用双核心设计，拥有最少18MB片内缓存，采取90nm工艺制造，它的设计称得上是对当时芯片业的挑战。它的每个单独的核心都拥有独立的L1,L2和L3cache，包含大约10亿支晶体管。

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